KR20140078439A - 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI; Gasoline Direct Injection) 엔진에서 연료의 공급압력을 제어하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예는, 저압연료펌프를 구비하는 저압시스템에서 1차 가압된 연료를, 고압연료펌프를 구비한 고압시스템에서 2차 가압하여 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 저압연료펌프 제어 방법으로서, 상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보를 입력받는 단계; 상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보에 기초하여 상기 고압연료펌프가 고장인 것으로 판단되면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(AP 압력)으로 승압하는 단계; 상기 고압연료펌프가 고장이 아니면, 상기 고압연료펌프의 목표 연료압력 대비 측정 연료압력, 또는 상기 GDI 엔진의 제어값 변동을 기초로 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템 {Method and system for controlling low pressure fuel pump of gasoline direct injection engine}
본 발명은 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI; Gasoline Direct Injection) 엔진에서 연료의 공급압력을 제어하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가솔린 직접 분사(GDI; Gasoline Direct Injection) 엔진은, 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 가솔린 엔진으로서, 연소실 내에 연료를 직접 분사하기 위해, 연료탱크에 설치된 저압연료펌프로부터 공급된 연료를 다시 고압연료펌프에서 승압시켜서 인젝터에 공급한다.
상기 가솔린 직접 분사 엔진은, 고압조절밸브, 고압연료펌프, 압력센서, 인젝터로 이루어지는 고압시스템; 및 저압연료펌프, 연료펌프 제어기, 연압 센서로 이루어지는 저압시스템과 조합되어, GDI 엔진 시스템을 형성한다.
상기 GDI 엔진 시스템에서는, 연소실에 고압으로 연료를 분사하여야 하므로, 연료공급 시스템은 상기 저압시스템에서 1차적으로 가압한 연료를 상기 고압시스템에서 더욱 가압한다. 상기 고압시스템에서 가압된 연료는 인젝터를 통해 연소실 내에 직접 분사된다.
상기 GDI 엔진 시스템은, 가변유량 제어방식 GDI 엔진 시스템과 고정형 유량 방식 GDI 엔진 시스템으로 분류될 수 있다.
도 1에 상기 가변유량 제어 방식 GDI 엔진 시스템에 적용되는 연료펌프 제어기를 개념적으로 나타내 보였다.
상기 가변유량 제어 방식 GDI 엔진 시스템은, 엔진 제어기(ECU; Engine Control Unit)로부터 전달받은 목표 연료압력 값과 저압연료펌프에서 측정된 실측 연료압력 값을 기준으로 비례적분미분(PID; Proportional, Integral, Derivative) 피드백 제어 방식으로 저압연료펌프의 유량제어를 구현한다.
따라서, 상기 가변유량 제어 방식 GDI 엔진 시스템의 저압연료펌프에서 공급되는 유량은 연료펌프 구동 최소 연료량과 현재 엔진에 필요한 소모량의 합만큼만 공급된다.
이러한 가변유량 제어 방식은 상시 최대 연료량을 공급하는 고정형 유량 방식에 대비해서 연료펌프에서 소모되는 전류량을 최소화할 수 있고, 연비 개선효과를 달성할 수 있다.
상기한 가변유량 제어 방식 GDI 엔진 시스템이 적용된 차량은, 일반 운전영역의 거의 전구간을 상대적으로 낮은 저압연료펌프의 연료압력(예: 2.5bar)으로 운전해야 연비효과를 극대화 할 수 있다.
그러나, 일부 운전조건에서는 저압연료펌프의 연료압력을 낮게 유지하는 경우, 발진 가속감 부족, 엔진 경고등 점등 및 최악의 경우 시동꺼짐을 유발할 수 있는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래기술의 실시예에서는 고압연료펌프의 고장 감지시, 극고온 주행시, 극저온 주행시 및 극고지 주행시 등에서는 저압측 목표 연료압력을 상대적으로 높게(예: 5.0bar) 설정하고 있다.
그러나, 상기 종래기술의 실시예는 상기 고압연료펌프의 실제 고장시 등에서 발생하는 문제를 어느 정도 해결하고 있지만, 고압측 연료 압력 제어 불량시 또는 고압측 연료 압력 제어 불량 예측시, 발생하는 문제를 해결하지 못하고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, GDI 엔진 시스템에서 고압측 연료압력(연압)을 실시간으로 모니터링하여 고압측 연료압력이 설정값 이하로 떨어지면 저압측 연료압력을 승압하여 연료를 안정적으로 공급할 수 있도록 한 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하려는 과제는, 다양한 주행 악의모드 및 시험조건들로부터 확인된 고압측 압력 강하의 징후를 사전에 포착하여, 저압측 연료압력을 설정시간 동안 승압함으로써 연료를 안정적으로 공급할 수 있도록 한 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법은, 저압연료펌프를 구비하는 저압시스템에서 1차 가압된 연료를, 고압연료펌프를 구비한 고압시스템에서 2차 가압하여 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 저압연료펌프 제어 방법으로서, 상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보를 입력받는 단계; 상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보에 기초하여 상기 고압연료펌프가 고장인 것으로 판단되면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(AP 압력)으로 승압하는 단계; 상기 고압연료펌프가 고장이 아니면, 상기 고압연료펌프의 목표 연료압력 대비 측정 연료압력, 또는 상기 GDI 엔진의 제어값 변동을 기초로 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계는, 상기 고압연료펌프의 목표 연료압력 대비 측정 연료압력의 차이가 설정값 이상이면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(BP 압력)으로 승압시킬 수 있다.
상기 GDI 엔진의 제어값은 스필 밸브(spill valve)의 제어값이고, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계는 상기 스필 밸브의 제어값이 설정값 이상 변동되면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(CP 압력)으로 승압시킬 수 있다.
상기 스필 밸브의 제어값은 적분 이득(integral gain) 값일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템은, 저압연료펌프를 구비하는 저압시스템에서 1차 가압된 연료를, 고압연료펌프를 구비한 고압시스템에서 2차 가압하여 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템으로서, 상기 GDI 엔진을 제어하는 엔진 제어기; 상기 저압연료펌프의 연료압력을 검출하는 저압연료펌프 압력센서; 상기 고압연료펌프의 연료압력을 검출하는 고압연료펌프 압력센서; 상기 연료의 분사 시기를 제어하기 위한 스필 밸브; 및 상기 고압연료펌프의 상태 및 상기 엔진의 제어 상태에 따라 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 연료 공급압력 제어기;를 포함하되, 상기 연료 공급압력 제어기는 상기 본 발명의 실시예에 따른 가솔린 직접 분사 엔진의 연료 공급압력 제어 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 저압시스템과 고압시스템으로 구성되는 GDI 엔진의 연료 공급시스템에서 차량의 연비 향상을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, GDI 엔진 시스템에서 고압측 연료압력(연압)을 실시간으로 모니터링하여 고압측 연료압력이 설정값 이하로 떨어지면 저압측 연료압력을 승압함으로써 연료 공급의 안정화를 달성할 수 있다.
도 1은 일반적인 GDI 엔진 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템은, 연소실 내에 연료를 직접 분사하는 GDI 엔진에서 연료의 공급압력을 제어하는 시스템이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템은, GDI 엔진(10)을 제어하는 엔진 제어기(100); 저압연료펌프(212)의 연료압력을 검출하는 저압연료펌프 압력센서(214); 고압연료펌프(222)의 연료압력을 검출하는 고압연료펌프 압력센서(224); 연료의 분사 시기를 제어하기 위한 스필 밸브(110); 연료를 분사하는 인젝터(120); 및 상기 고압연료펌프(222)의 상태 및 상기 GDI 엔진(10)의 제어 상태에 따라 상기 저압연료펌프(212)의 연료압력을 제어하는 연료 공급압력 제어기(200);를 포함한다.
도 2에서 연료 공급압력 제어기(200) 이외의 구성요소들은, 일반적인 GDI 엔진 시스템에 포함되는 구성요소들이므로, 이들에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.
상기 연료 공급압력 제어기(200)는, 저압연료펌프 제어기(210) 및 고압연료펌프 제어기(220)를 포함할 수 있다.
상기 연료 공급압력 제어기(200)는, 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 하드웨어를 포함하여 형성되며, 상기 설정된 프로그램은 후술할 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법을 수행하기 위한 일련의 명령으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는, 프로그램 및 하드웨어가 결합된 모듈 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는, 마이크로프로세서, 전기전자 부품 및 후술하는 본 발명의 실시예의 방법이 프로그램으로 저장된 메모리 소자(ROM, RAM 등) 등이 실장된 인쇄회로기판(PCB)일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GDI 엔진의 저압연료펌프 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 연료 공급압력 제어기(200)는 고압연료펌프(222)의 고장 관련 정보를 입력받는다(S110).
상기 연료 공급압력 제어기(200)가 상기 고압연료펌프(222)의 고장 관련 정보를 입력 받는 방법은 종래 일반적으로 알려진 방법에 따를 수 있다.
상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 입력된 고압연료펌프의 고장 관련 정보를 기초로 상기 고압연료펌프(222)가 고장인지를 판단한다(S120).
상기 연료 공급압력 제어기(200)가 상기 고압연료펌프(222)를 고장인 것으로 판단하면, 종래기술의 실시예에서와 같이 저압연료펌프(212)의 연료압력을 승압시킨다(S130).
S130에서 상기 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 일례로 상기 저압연료펌프(212)의 연료압력을 2.5bar에서 5.0bar로 승압시킬 수 있다.
S120에서 상기 연료 공급압력 제어기(200)가 상기 고압연료펌프(222)를 고장이 아닌 것으로 판단하면, 상기 고압연료펌프 압력센서(224)에 의해 측정된 고압연료펌프(222)의 연료압력을 입력받는다(S140).
상기 연료 공급압력 제어기(200)에 상기 측정된 고압연료펌프(222)의 연료압력이 입력되면, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 엔진 제어기(100)로부터 입력된 목표 연료압력과 상기 측정 연료압력 간의 차이값(또는, 오차값)을 산출하여, 이 차이값이 설정값(예; 10 bar) 이상인지를 판단한다(S150).
상기 오차값은 고압연료펌프의 연료압력 오차값으로서 상기 목표 연료압력과 상기 측정 연료압력 간의 차이값이다.
S150에서 상기 고압연료펌프의 연료압력 오차값이 상기 설정값 이상이면, 상기 고압연료펌프(222)의 제어가 정상적으로 이루어지지 않아 연료압력이 떨어지는 경우에 해당하므로, 상기 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 저압연료펌프 제어기(210)를 통해 상기 저압연료펌프(212)의 연료압력을 승압시킨다(S130).
한편, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 측정된 고압연료펌프(222)의 연료압력이 설정값(예; 30 bar) 이하인 경우에도 상기 저압연료펌프(212)의 연료압력을 승압시킬 수 있다.
S150에서 상기 오차값이 설정값(예; 10 bar) 보다 작으면, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 엔진 제어기(100)를 통해 GDI 엔진(10)의 주요 제어 부품(예; 스필 밸브)의 제어값을 확인한다(S160).
상기 GDI 엔진(10)의 주요 제어 부품은 일례로 스필 밸브(110)일 수 있다. 상기 스필 밸브(110)의 제어값은 적분제어 게인(gain) 값일 수 있다.
S150에서 상기 연료 공급압력 제어기(200)가 상기 스필 밸브의 적분제어 게인 값을 확인하는 이유는, 상기 스필 밸브(110)의 적분제어 게인 값의 변동율이 설정값(예; 통상적인 제어수준 변동율 값) 보다 크면, 이는 고압측 연료압력 제어에 불량이 발생할 징후를 나타내는 것이기 때문이다.
S160에서 상기 연료 공급압력 제어기(200)가 상기 스필 밸브(110)의 제어값을 확인했으면, 상기 제어값의 변동율이 상기 설정값 이상인지 판단한다(S170).
S170에서 상기 스필 밸브(110)의 제어값의 변동율이 상기 설정값 이상인 것으로 판단되면, 이는 고압측 연료압력 제어에 불량이 발생할 징후가 있는 것이므로, 상기 연료 공급압력 제어기(200)는 상기 저압연료펌프 제어기(210)를 통해 상기 저압연료펌프(212)의 연료압력을 승압시킨다(S130).
이로써, 본 발명의 실시예는, 연비를 향상시키면서 GDI 엔진에 연료를 안정된 압력으로 공급할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 엔진 100: 엔진 제어기
110: 스필 밸브 200: 연료 공급압력 제어기
210: 저압연료펌프 제어기 212: 저압연료펌프
214: 저압연료펌프 압력센서 220: 고압연료펌프 제어기
222: 고압연료펌프 224: 고압연료펌프 압력센서

Claims (5)

  1. 저압연료펌프를 구비하는 저압시스템에서 1차 가압된 연료를, 고압연료펌프를 구비한 고압시스템에서 2차 가압하여 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 저압연료펌프 제어 방법으로서,
    상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보를 입력받는 단계;
    상기 고압연료펌프의 고장 관련 정보에 기초하여 상기 고압연료펌프가 고장인 것으로 판단되면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(AP 압력)으로 승압하는 단계;
    상기 고압연료펌프가 고장이 아니면, 상기 고압연료펌프의 목표 연료압력 대비 측정 연료압력, 또는 상기 GDI 엔진의 제어값 변동을 기초로 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계;
    를 포함하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계는, 상기 고압연료펌프의 목표 연료압력 대비 측정 연료압력의 차이가 설정값 이상이면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(BP 압력)으로 승압시키는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 GDI 엔진의 제어값은 스필 밸브(spill valve)의 제어값이고,
    상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 단계는 상기 스필 밸브의 제어값이 설정값 이상 변동되면, 상기 저압연료펌프의 연료압력을 설정 압력(CP 압력)으로 승압시키는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 스필 밸브의 제어값은 적분 이득(integral gain) 값인 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 방법.
  5. 저압연료펌프를 구비하는 저압시스템에서 1차 가압된 연료를, 고압연료펌프를 구비한 고압시스템에서 2차 가압하여 인젝터를 통해 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접 분사(GDI) 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템으로서,
    상기 GDI 엔진을 제어하는 엔진 제어기;
    상기 저압연료펌프의 연료압력을 검출하는 저압연료펌프 압력센서;
    상기 고압연료펌프의 연료압력을 검출하는 고압연료펌프 압력센서;
    상기 연료의 분사 시기를 제어하기 위한 스필 밸브; 및
    상기 고압연료펌프의 상태 및 상기 엔진의 제어 상태에 따라 상기 저압연료펌프의 연료압력을 제어하는 연료 공급압력 제어기;를 포함하되,
    상기 연료 공급압력 제어기는 상기 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 가솔린 직접 분사 엔진의 저압연료펌프 제어 시스템.
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